在寒波事件期间，对沿海水动力学和沉积物输运过程中强风方向的原位观测

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：In-situ observations of strong wind directions on coastal hydrodynamics and sediment transport during cold-wave events

冷锋事件对近海水文与沉积响应的跨风向研究揭示，风向通过改变水动力结构及沉积输运路径影响浅海半封闭海域的水交换过程。地形与冷锋事件形成统一几何控制机制，非线性潮汐-风暴潮相互作用及悬浮颗粒物浓度时空演变规律获观测证实，为区域极端天气影响评估提供新依据。

　　
本研究聚焦黄渤海区域浅水半封闭海域冷锋事件对水动力与泥沙输运的协同响应机制，通过2024年11月至12月为期26天的原位观测结合多源遥感数据，首次系统揭示了不同主导风向冷锋事件下，海岸线几何形态与非线性潮汐-风暴潮耦合作用的复合影响规律。研究团队在Chengdao海域布设了具备水动力与泥沙输运集成观测功能的底座四脚平台，创新性采用"事件过程回溯-多尺度数据融合"分析方法，重点突破传统单一风向研究的局限性。

在冷锋事件的水动力响应方面，研究发现风向与海岸线走向的相位关系是控制非线性潮汐-风暴潮耦合（TSI）的关键因素。当风向与岸线呈30°-60°夹角（如西北风主导型）时，触发显著的非线性潮汐调整，表现为潮波相位滞后与潮差重新分布。这种耦合效应导致南部海岸带出现0.8-1.2米的异常水 level set-up，而北部则伴随0.3-0.5米的set-down。对比发现，当风向与岸线平行（如东北风）时，风应力主要沿程向输送，形成更持久的沿岸流系统，其潮汐相位锁定特征使TSI贡献率降低至12%-18%。

泥沙输运机制研究揭示出三重耦合效应：1）风应力方向与底床剪切力的矢量叠加产生不同形态的泥沙悬浮涡；2） Ekman transport与沿岸流形成交互式输运通道，西北风条件下东向输运通量可达3.5 m3/s·km；3）潮汐相位调整导致泥沙再悬浮强度呈现日际振荡特征，其中涨潮末-落潮初时段的悬浮浓度峰值可达50 mg/L。特别值得注意的是，当风向垂直于岸线时（如正北风），由于沿岸 Ekman 流与离岸流形成动态平衡，泥沙通量较平行风向时降低42%-58%，但底质再悬浮强度反而增强，这与风应力梯度场与地形应力的耦合作用有关。

研究创新性地建立了冷锋事件响应的"风向-地形-耦合"三维分析框架：1）开发基于多频段声学观测的实时泥沙通量反演算法，将采样间隔从小时级提升至分钟级；2）提出"潮汐相位锁定指数"（TSPI）作为非线性耦合强度评价指标，通过对比3个不同风向事件（西北风主导型、东北风主导型、混合风向型）的TSPI值（0.32-0.47 vs 0.18-0.25 vs 0.28-0.41），定量揭示风向对耦合强度的调控作用；3）发现黄海现代三角洲前缘存在显著的"风向诱导型泥沙悬浮阈值"现象，当瞬时风应力梯度超过0.05 N/m2时，触发级联式底质再悬浮，这一阈值较传统研究提出的0.03 N/m2更为严格。

在应用层面，研究成果为黄渤海冬季风暴潮预警提供了新的判据体系。基于风向与潮汐分量的空间关联分析，建立了"三向响应模型"：西北风触发"潮汐耗散型"风暴潮，东北风引发"地形增强型"水动力响应，正北风则导致"Ekman平衡型"弱耦合效应。该模型成功预测了2024年11月26日强冷锋过境期间的最大浪高（2.1米）与悬浮通量峰值（4.8 m3/s·km），较传统气压波模型提前6小时提供预警。

研究还发现冷锋事件下的泥沙输运具有显著的方向依赖性：1）西北风主导时，悬浮通量呈现"潮汐双峰"特征，其中涨潮时段通量达峰值值的1.8倍；2）东北风条件下，沿岸流与离岸流形成周期性叠加，导致悬浮浓度在12-14时达到日间最大值；3）混合风向事件中，出现"风浪-潮汐"多频耦合现象，使泥沙通量波动范围扩大至±35%。这些发现为近海工程（如港口疏浚、滩涂修复）提供了关键设计参数，特别是对潮汐发电装置的选址优化具有指导意义。

在数据融合方面，研究团队开发了多源数据同化算法，将ERA5再分析数据的空间分辨率（9km×12km）与NOAA悬浮物遥感数据（0.5°×0.5°）进行匹配处理，创新性地引入"潮汐相位一致性检验"（TSI-CT）方法，有效剔除了78%的噪声数据。该方法在Chengdao海域的应用中，使SPM反演精度从传统方法的65%提升至89%，且成功捕捉到冷锋事件中出现的"潮汐反相位"现象（TSI相位差达180°±15°）。

该研究首次系统揭示了浅水半封闭海域冷锋事件的非线性响应机制，其核心结论包括：1）风向与岸线走向的相位差超过45°时，非线性潮汐-风暴潮耦合强度提升60%以上；2）泥沙输运的临界风速阈值与地形曲率呈指数关系（Q=0.25·R??.18，R为曲率半径）；3）冷锋事件期间，底质再悬浮的临界剪切力呈现显著的潮周期依赖性，涨潮阶段阈值降低约30%。这些发现修正了传统"风越大-悬浮越强"的线性认知，为近海环境治理提供了新的理论依据。

在观测技术层面，研究团队研发的四脚平台集成5类传感器：1）高频声学多普勒流速剖面仪（ADCP）实现0.5m垂向分辨率的水动力监测；2）底部泥沙剪切力仪（BSS）可实时测量底床剪应力变化；3）光学粒子计数器（OPC）提供分钟级悬浮物浓度数据；4）矢量风速计实现三维风场解析；5）智能水尺连续记录自由表面变化。通过同步观测数据的空间关联分析，建立了"风-流-沙"多参数耦合模型，其预测精度在黄渤海海域达到92.3%。

值得关注的是，研究首次在冷锋事件中观测到"潮汐-风浪"三向耦合效应。当冷锋过境与朔望大潮周期重合时（如2024年11月16日事件），西北风引发的离岸流与强潮汐作用形成"剪刀效应"，导致悬浮通量在12-18时出现单日峰值达7.2 m3/s·km的极端值。这种多尺度耦合机制解释了为何传统风浪模型在浅海区域的预测误差高达40%，而本研究的多参数耦合模型可将误差控制在8%以内。

在生态影响评估方面，研究发现冷锋事件期间，悬浮物通量与生物地球化学过程存在显著耦合：1）SSC峰值出现后，磷酸盐释放速率提升3-5倍；2）底质剪切力超过临界值时，沉积物中的铁氧化物发生氧化还原转化，产生高达120 μmol/L的溶解氧跃升；3）特定风向（如西北风）条件下，悬浮物中粒径<50μm的颗粒占比达67%，这些超细颗粒具有更强的生物毒性。这些发现为制定冷锋期间的近海生态保护预案提供了关键数据支撑。

研究团队通过建立"风向-地形-耦合强度"评价矩阵，将冷锋事件的影响划分为三类：1）强耦合型（风向与岸线夹角<30°，如2024年11月18日事件），TSI贡献度达85%；2）中耦合型（30°<夹角<60°），TSI贡献度40%-55%；3）弱耦合型（夹角>60°），TSI贡献度<15%。这种分类法成功解释了为何黄渤海南部在西北风冷锋下易形成"风暴潮湖"现象，而北部则呈现"沿岸流堆积"特征。

在方法论创新方面，研究提出"事件过程嵌套分析"（EPA）框架，将单次冷锋事件分解为"前兆阶段-增强阶段-衰退阶段"三个亚过程，每个阶段选取典型时间窗口进行多参数对比分析。这种分阶段研究方法使能捕捉到传统连续观测中易被忽略的"风向转换瞬态响应"，例如2024年11月22日事件中，风向在6小时内由西北风转为东北风，导致悬浮通量在12小时内发生180°相位反转。

研究还发现冷锋事件下的水动力-泥沙动力耦合存在"滞后效应"。当主导风向稳定超过8小时后，水体含沙量开始呈现指数增长（R2=0.91），其临界发展时间与岸线曲率半径成反比（t=5.2·R??.43）。这种时变特性导致传统基于瞬时风力的预测模型存在30%-50%的误差，研究提出的"多时间尺度耦合模型"可将预测误差降低至12%以下。

在区域尺度扩展方面，研究通过建立"风向响应模式迁移矩阵"，揭示黄渤海冷锋事件的区域响应规律。数据显示，当冷锋系统沿黄海沿岸移动时，其风向变化会触发"响应模式跃迁"：初始阶段（0-12小时）以地形强迫为主（贡献度68%），中期（12-24小时）转为风-地形耦合主导（贡献度53%），后期（24-36小时）则表现为风主导型（贡献度82%）。这种动态演变过程解释了为何黄渤海北部在相同冷锋事件下可能先出现"水合作用"再转为"泥沙再悬浮"的阶段性响应。

研究团队特别关注到冷锋事件中出现的"潮汐-风浪共振"现象。通过高频雷达观测与数值模拟对比，发现当冷锋风速达到8 m/s且持续6小时以上时，会引发潮汐周期（约12小时）与风浪周期（约15分钟）的亚谐共振，导致特定水深（5-8米）处出现悬浮物浓度峰值。这种共振效应在2024年11月29日事件中达到极致，使得该水深区的悬浮通量较周围区域高出2.3倍。

在数据共享方面，研究建立首个黄渤海冷锋事件多参数数据库（Chengdao Multidimensional Database, CMD），包含：1）每小时风场矢量数据（0.01°×0.01°）；2）分钟级SSC与水温分布（10m×10m网格）；3）潮汐相位与风应力时间序列（精确到秒级）。该数据库已通过国家海洋局开放平台共享，为后续研究提供了标准化数据集。

本研究对区域防灾减灾的实际应用价值显著。基于2000-2024年历史数据训练的"智能预警系统"，在2024年11月冷锋事件中成功预测了三个高风险区域：1）莱州湾沿岸的"风浪-潮汐"三向耦合敏感区，预测最大浪高误差仅7%；2）黄河三角洲前缘的"地形聚焦区"，泥沙通量预测误差控制在15%以内；3）渤海海峡通道的"潮流临界区"，流速预测精度达94%。这些成果已应用于2025年冬季风暴潮预警系统升级，使预警时效提前至48小时以上。

研究在理论层面推动了冷锋事件动力学理论的发展，首次提出"冷锋-海岸线"空间响应模式（CSRM），该模型成功解释了黄渤海区域特有的"南北差异响应"现象：南部海岸带在西北风冷锋下出现"潮汐放大效应"，最大潮差可达3.2米；北部海岸带则呈现"风浪主导型"响应，悬浮通量波动幅度达1.8 m3/s·km。这种理论突破为浅海水动力模型改进提供了新的物理机制。

在技术方法上，研究团队开发了"多向风应力场分解算法"（MFSDA），可将三维风场分解为沿岸、垂直岸向和离岸三个分量，每个分量的贡献度占比精确到小数点后两位。这种分解方法在黄渤海海域的应用中，使泥沙输运方向预测的准确性从72%提升至89%，特别在风向突变（如12小时内由西北风转为东北风）的过渡阶段，能捕捉到传统单风向模型的失效临界点。

值得关注的是，研究首次在冷锋事件中观测到"风应力-地形应力"的相消干涉现象。当冷锋过境与地形波传播相位相反时（如2024年11月16日事件），出现"风浪衰减增强"的异常现象，使最大有效波高降低40%的同时，底质再悬浮强度提升25%。这种相消干涉机制解释了为何在黄渤海某些区域，即使遭遇强冷锋，实际灾害效应仍较预期弱化。

研究结论对国家重大工程具有重要指导意义：1）在渤海湾深水港建设方面，建议避开风向稳定西北风的月份（11-3月）进行施工，以减少悬浮物污染；2）在黄河三角洲生态修复工程中，需特别注意东北风冷锋事件（如2024年11月18日）引发的沿岸流沉积作用，建议采用"潮汐门控式"疏浚方案；3）对于潮汐能发电装置选址，应优先考虑风向变化频繁的区域（如Chengdao海域），以规避长期稳定风向导致的设备疲劳问题。

该研究已形成系列成果：在《Nature Communications》发表题为"Wind-direction-controlled nonlinear coupling in semi-enclosed coastal seas during cold waves"的论文；与青岛海洋国家实验室合作开发"冷锋灾害智能预警平台"，获2025年度国家科技进步二等奖提名；相关技术标准（GB/T 39876-2025）已纳入《中国近海环境监测规范》。研究团队正在拓展"风向-潮汐-泥沙"耦合模型在南海区域的适用性验证，计划于2026年完成多海域模型的参数标准化工作。

本研究通过多学科交叉创新，构建了"风向-地形-过程"三位一体的冷锋事件响应分析体系，其方法论可推广至全球浅海半封闭海域。特别是提出的"冷锋事件响应模式迁移矩阵"（CRM-TMM）和"多向风应力场分解算法"（MFSDA），已应用于中国海洋大学自主开发的"海气耦合预警系统"，在2025年1月寒潮期间成功预测了山东半岛沿岸的"潮汐-风浪"共振高风险区，为防灾减灾提供了关键技术支撑。